La "brújula" de las bacterias


Juan J. Borrego


El comportamiento de una amplia selección de organismos parece estar influenciado por el campo magnético terrestre, incluyendo a abejas, peces, salamandras, tortugas, aves, y algunos mamíferos acuáticos. Hace ya 23 años, Richard P. Blakemore descubrió que algunas bacterias acuáticas poseían un tactismo especial que les permitían «migrar» a lo largo de las líneas del campo geomagnético, principalmente al geomagnetismo Norte [Blakemore, Ann. Rev. Microbiol., 36: 217(1982)].
Las bacterias magnetotácticas representan un grupo heterogéneo de procariotas con una gran variedad de morfotipos, que incluyen a cocos, bacilos, vibrios y espirilos. Sin embargo, todas estas bacterias poseen en común su movilidad, la estructura y composición de su pared bacteriana (Gram-negativa), la posesión de un aerotactimo negativo, y, lo más sorprendente de todo, la presencia de estructuras u orgánulos citoplasmáticos, que ahora conocemos con el nombre de «magnetosomas». Estos orgánulos citoplasmáticos son los responsables, en último término, del comportamiento bacteriano ante los campos geomagnéticos.
Las bacterias magnetotácticas son ubicuas de los hábitats acuáticos y debido a sus requerimientos de oxígeno, estas bacterias se concentran en la zona de transición óxica-anóxica (ZTOA), también denominada «redoxoclina» o más comúnmente «zona microaerófila». En los sistemas dulceacuícolas esta zona corresponde a la interfase agua-sedimento; mientras que en los sistemas estuarinos químicamente estratificados la zona ZTOA se localiza en la columna de agua.
El magnetosoma bacteriano está compuesto por un cristal de un mineral magnético, magnetita (Fe3O4) o greigita (Fe3S4), rodeado por una membrana [Bazylinski et al., Nature, 366: 218 (1993)]. Tanto la magnetita como la greigita se encuentran estructuradas cristalinamente, lo que indica la existencia de procesos de biomineralización muy controlados por la bacteria, implicando a unos enzimas especiales denominados «bacterioferritinas» [Gorby et al., J. Bacteriol., 170: 834 (1988)].
Las partículas magnéticas del magnetosoma presentan un rango de tamaño muy determinado, de 35 a 120 nm, y este estrecho rango conlleva consecuencias físicas importantes, ya que las partículas magnéticas comprendidas entre estos tamaños establecen dominios magnéticos simples estables. Partículas menores de 35 nm son «supermagnéticas» a temperatura ambiente y, por tanto, no poseen magnetización permanente; por el contrario, las partículas mayores de 120 nm tienden a formar dominios múltiples, reduciendo la magnetización permanente.
En la mayoría de las bacterias magnetotácticas, los magnetosomas están ensamblados en una o pocas cadenas, en las que las interacciones magnéticas de las partículas individuales causan unos momentos dipolares magnéticos que les permiten su orientación paralela a lo largo de toda la longitud de la cadena. El momento dipolar magnético total de la célula, en este tipo de ensamblamiento o estructuración, es el sumatorio de los momentos dipolares de las partículas individuales, lo que permite a la célula maximizar su momento dipolar magnético. Por consiguiente, la magnetotaxis resulta del alineamiento pasivo de la célula a lo largo de las líneas del campo geomagnético mientras se mueven. Sin embargo, las células ni sufren fuerzas de atracción ni de repulsión por cualquier polo geomagnético. Y además, las bacterias magnetotácticas muertas se alinean a lo largo de las líneas del campo geomagnético, al igual que las células vivas, pero no se mueven.
Estos microorganismos pueden tener una de las dos polaridades magnéticas, norte o sur, dependiente de la orientación del dipolo magnético en la célula. Las bacterias magnetotácticas con polaridad norte predominan en el hemisferio norte, y al contrario. El componente vertical del campo geomagnético inclinado parece seleccionar la polaridad predominante en cada hemisferio, favoreciendo a aquellas células cuya polaridad les conduzca a los sedimentos, y fuera de las concentraciones potencialmente tóxicas de oxígeno presentes en las aguas superficiales. En el Ecuador, donde el componente vertical del campo geomagnético es 0 y el campo es horizontal, se detectan iguales números de ambas polaridades.
La mayoría de las bacterias magnetotácticas solo se mueven bidireccionalmente, a diferencia de las bacterias sin magnetosomas que se mueven en todas direcciones, migrando a través de las líneas inclinadas del campo geomagnético hacia arriba o abajo de la ZTOA hasta alcanzar las condiciones óptimas de su requerimiento en oxígeno. Bazylinski (1995) (ASM News, 61: 337) ha propuesto un modelo que explicaría cómo una bacteria con morfología cocácea y con una polaridad norte se mueve a través de las líneas inclinadas del campo geomagnético (Fig. 1). Así, cuando las concentraciones de oxígeno y/o el potencial rédox son mayores que las óptimas y/o las concentraciones de sulfuros son menores que las óptimas, la bacteria migra hacia abajo. Cuando las células alcanzan las condiciones donde las concentraciones de oxígeno y/o el potencial rédox son demasiado bajas y/o las concentraciones de sulfuros son demasiada altas, las bacterias migran en dirección contraria a la dirección del campo magnético.



Fig.1. Cuando las células están encima de la ZTOA en un sistema vertical de gradiente de concentración, tanto de oxígeno como de sulfuro (flechas verticales), nadan hacia abajo (pequeñas flechas) a lo largo de las líneas inclinadas del campo geomagnético (líneas discontinuas). cuando se encuentran debajo de la ZTOA, cambian de dirección, posiblemente por reversión de la rotación flagelar, y nadan hacia arribe (pequeñas flechas) a lo largo de las líneas del campo. La dirección de la rotación flagelar podría ser regida por un sistema sensorial que respondiera a una concentración química (¿ quimiorreceptor?) o al potencial redox.

Finalmente reseñar que las partículas magnéticas de dominios simples encontrados en la magnetita de organismos superiores, como el atún, salmones, tortugas verdes e, incluso, el hombre son muy similares a los detectados en las bacterias magnetotácticas. Por consiguiente, el entendimiento de la magnetotaxis y el proceso de biomineralización en estas bacterias puede proporcionar un modelo útil para conocer cómo y por qué forman estas partículas los organismos superiores, incluso asumiendo que los procesos biomineralizadores y la función de estas partículas en los organismos superiores deban ser más complejos que en las bacterias.

Juan José Borrego es Profesor Titular de Microbiología.